Tecnología nuclear. Producción de energía nuclear

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Tecnología nuclear

Antonio González Fernández

Departamento de Física Aplicada III

Universidad de Sevilla

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Contenidos del tema

2

Principios de producción de la energía nuclear

Panorámica de la producción de energía nuclear

Elementos básicos de un reactor nuclear

Reactores de nueva generación

Otros usos de la energía nuclear

Principales accidentes en reactores nucleares

El núcleo de un reactor nuclear

Otros tipos de reactores

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Tecnología nuclear

Antonio González Fernández

Departamento de Física Aplicada III

Universidad de Sevilla

Parte 1: Aspectos generales

de la energía nuclear

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

¿Qué es una central nuclear?

4

Una central

nuclear es una

central térmica

Emplea el calor

producido en las

fisiones de

reacciones en

cadena

Utiliza como

combustible uranio

enriquecido o natural

Las potencias están

en el rango 500MWe

a 1000MWe

Rendimiento

~33%

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Consumo de energía: varía a lo largo del

tiempo

5

El consumo presenta fluctuaciones:

Diarias

Semanales

Estacionales

La producción (esp. renovables)

también fluctúa

Es difícil almacenar energía

Se necesita un mix de

fuentes de energía

Puede verse

en

REE

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Base load y peak load requieren

diferentes fuentes de energía

6

Para la carga base

Producción

continua

Carbón

Nucleares

Combustible

Para el pico de carga

Fácil

desconexión

Capital

Ciclo combinado

Hidroeléctrica

Renovables

Costes:

Combustible

Capital

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

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ndez

El mix energético en los Estados Unidos

7

20

17

,

Antonio

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ez

F

erná

ndez

El mix energético en España

8

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Comparación del poder calorífico de

diferentes combustibles

9

Fuel

Heat value

% carbon

CO2

Hydrogen

121 MJ/kg

0

0

Petrol/gasoline

44-46 MJ/kg

32 MJ/l

Diesel fuel

45 MJ/kg

39 MJ/l

Crude oil

42-44 MJ/kg

89 70-73 g/MJ

37-39 MJ/l

Methanol

20 MJ/kg

37

18 MJ/L

Liquefied Petroleum Gas (LPG)

49 MJ/kg

81 59 g/MJ

Natural gas (UK, USA, Australia)

38-39 MJ/m3

76 51 g/MJ

Natural gas (Canada)

37 MJ/m3

Natural gas (Russia)

34 MJ/m3

Natural gas as LNG (Australia)

55 MJ/kg

Hard black coal (IEA definition)

>23.9 MJ/kg

Hard black coal (Australia & Canada)

c 25.5 MJ/kg

67 90 g/MJ

Sub-bituminous coal (IEA definition)

17.4-23.9 MJ/kg

Sub-bituminous coal (Australia & Canada)

c 18 MJ/kg

Lignite/brown coal (IEA definition)

<17.4 MJ/kg

Lignite/brown coal (Australia, electricity)

c 10 MJ/kg

25 1.25 kg/kWh

Firewood (dry)

16 MJ/kg

42 94 g/MJ

Natural uranium, in LWR (normal reactor)

500 GJ/kg

0

0

Natural uranium, in LWR with U & Pu recycle

650 GJ/kg

0

0

Natural uranium, in FNR

28,000 GJ/kg

0

0

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Comparación entre una central de

carbón y una central nuclear

10

Consumo anual de una

central de 1000MWe

Carbón:

3 MTm/año

Uranio:

180Tm/año

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Comparación de los costos de diferentes

fuentes de energía (Reino Unido)

11

Costes de

capital

Construcción

Créditos

Propiedad

Operación y

mantenimiento

Combustible

IEA

2015

2010

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

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F

erná

ndez

Comparación de los costos de diferentes

fuentes de energía (España)

12

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

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F

erná

ndez

Comparación de los costos de diferentes

fuentes de energía (2015)

13

Base load

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Comparación de los costos de diferentes

fuentes de energía (2015)

14

Renovables

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Evolución de la producción mundial de

electricidad

15

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Evolución de la producción de energía

nuclear

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

La energía nuclear en el mundo:

Número de reactores en operación

17

IAEA

Country No R. Net Capacity [MW]

UNITED STATES OF AMERICA 99 99869

FRANCE 58 63130 JAPAN 42 39752 CHINA 37 32402 RUSSIA 35 26172 KOREA, REPUBLIC OF 25 23077 INDIA 22 6225 CANADA 19 13554 UKRAINE 15 13107 UNITED KINGDOM 15 8918 SWEDEN 10 9740 GERMANY 8 10799 BELGIUM 7 5913 SPAIN 7 7121 CZECH REPUBLIC 6 3930 TAIWAN 6 5052 SWITZERLAND 5 3333 FINLAND 4 2752 HUNGARY 4 1889 PAKISTAN 4 1005 SLOVAKIA 4 1814 ARGENTINA 3 1632 BRAZIL 2 1884 BULGARIA 2 1926 MEXICO 2 1552 ROMANIA 2 1300 SOUTH AFRICA 2 1860 ARMENIA 1 375

IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF 1 915

NETHERLANDS 1 482

SLOVENIA 1 688

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

¿Qué ha pasado en el último año?

18

Country Nr R. Net capacity [MW]

UNITED STATES OF AMERICA 99 98708

FRANCE 58 63130 JAPAN 43 40290 RUSSIA 35 25443 CHINA 31 26635 KOREA, REPUBLIC OF 25 23114 INDIA 21 5308 CANADA 19 13500 UKRAINE 15 13107 UNITED KINGDOM 15 8883 SWEDEN 10 9648 GERMANY 8 10799 BELGIUM 7 5913 SPAIN 7 7121 CZECH REPUBLIC 6 3930 TAIWAN 6 5042 SWITZERLAND 5 3333 FINLAND 4 2752 HUNGARY 4 1889 SLOVAKIA 4 1814 ARGENTINA 3 1627 PAKISTAN 3 690 BRAZIL 2 1884 BULGARIA 2 1926 MEXICO 2 1440 ROMANIA 2 1300 SOUTH AFRICA 2 1860 ARMENIA 1 375

IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF 1 915

NETHERLANDS 1 482

SLOVENIA 1 688

Total 442 383546

Cambios desde 2015: +7

Country No R. Net Capacity [MW]

UNITED STATES OF AMERICA 99 99869

FRANCE 58 63130 JAPAN 42 39752 CHINA 37 32402 RUSSIA 35 26172 KOREA, REPUBLIC OF 25 23077 INDIA 22 6225 CANADA 19 13554 UKRAINE 15 13107 UNITED KINGDOM 15 8918 SWEDEN 10 9740 GERMANY 8 10799 BELGIUM 7 5913 SPAIN 7 7121 CZECH REPUBLIC 6 3930 TAIWAN 6 5052 SWITZERLAND 5 3333 FINLAND 4 2752 HUNGARY 4 1889 PAKISTAN 4 1005 SLOVAKIA 4 1814 ARGENTINA 3 1632 BRAZIL 2 1884 BULGARIA 2 1926 MEXICO 2 1552 ROMANIA 2 1300 SOUTH AFRICA 2 1860 ARMENIA 1 375

IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF 1 915

NETHERLANDS 1 482

SLOVENIA 1 688

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Edad de los reactores en

funcionamiento

19

Causas del parón nuclear

Crisis del petróleo

Reducción del consumo

Movimientos ecologistas

Moratoria nuclear

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Reactores en construcción

20

Cambios desde 2016: -6

Country

No. R

Net Capacity [MW]

ARGENTINA

1

25

BELARUS

2

2218

BRAZIL

1

1245

CHINA

20

20500

FINLAND

1

1600

FRANCE

1

1630

INDIA

5

2990

JAPAN

2

2653

KOREA, REPUBLIC OF

3

4020

PAKISTAN

3

2343

RUSSIA

7

5520

SLOVAKIA

2

880

TAIWAN, CHINA

2

2600

UKRAINE

2

2068

UNITED ARAB EMIRATES

4

5380

UNITED STATES OF AMERICA

4

4468

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Cuota de producción de energía nuclear

21

Country Nº R Capacity [MW] Supplied [GWh] Share

ARGENTINA 3 1632 6518.63 4.8 ARMENIA 1 375 2571.1 34.5 BELGIUM 7 5913 24825.24 37.5 BRAZIL 2 1884 13891.62 2.8 BULGARIA 2 1926 14700.98 31.3 CANADA 19 13524 95636.53 16.6 CHINA 31 26774 161202.45 3 CZECH REPUBLIC 6 3930 25337.33 32.5 FINLAND 4 2752 22325.97 33.7 FRANCE 58 63130 419022.15 76.3 GERMANY 9 12074 86810.34 14.1 HUNGARY 4 1889 14959.77 52.7 INDIA 21 5308 34644.45 3.5

IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF 1 915 3198.24 1.3

JAPAN 48 42388 4346.48 0.5 KOREA, REPUBLIC OF 24 21733 157198.95 31.7 MEXICO 2 1440 11184.73 6.8 NETHERLANDS 1 482 3861.63 3.7 PAKISTAN 3 690 4332.7 4.4 ROMANIA 2 1300 10709.67 17.3 RUSSIA 35 25443 182807.13 18.6 SLOVAKIA 4 1814 14083.68 55.9 SLOVENIA 1 688 5371.66 38 SOUTH AFRICA 2 1860 10965.14 4.7 SPAIN 7 7121 54758.77 20.3 SWEDEN 10 9648 54455.05 34.3 SWITZERLAND 5 3333 22155.8 33.5 TAIWAN, CHINA 6 5052 35143.03 16.3 UKRAINE 15 13107 82405.16 56.5 UNITED KINGDOM 16 9408 63894.54 18.9

UNITED STATES OF AMERICA 99 99185 798012.34 19.5

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Cuota y centrales nucleares en España

22

Name

Type

Status

Location

Ref. Unit Power (MW)

Gross El. Cap. (MW)

Connection

JOSE CABRERA-1

PWR

Permanent Shutdown

ALMONACID DE ZORITA

141

150

14/07/1968

SANTA MARIA DE GARONA

BWR

Long-term Shutdown

SANTA MARIA DE GARONA

446

466

02/03/1971

VANDELLOS-1

GCR

Permanent Shutdown

VANDELLOS

480

500

06/05/1972

ALMARAZ-1

PWR

Operational

ALMARAZ

1011

1049

01/05/1981

ASCO-1

PWR

Operational

ASCO

995

1033

13/08/1983

ALMARAZ-2

PWR

Operational

ALMARAZ

1006

1044

08/10/1983

COFRENTES

BWR

Operational

COFRENTES

1064

1102

14/10/1984

ASCO-2

PWR

Operational

ASCO

997

1035

23/10/1985

VANDELLOS-2

PWR

Operational

VANDELLOS

1045

1087

12/12/1987

TRILLO-1

PWR

Operational

TRILLO

1003

1066

23/05/1988

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Instalaciones nucleares en España

23

Villar de

Cañas Juzbado

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Industria nuclear en España (2015)

24

MINETAD

Tipo

Prod. (GWh)

% del total

Combustible

Nuclear

57305

20.52%

1350 Tm

Carbón

43011

19.46%

18130 kTm

Eólica

52013

18.79%

En trámite la renovación de la

licencia de Sta María de Garoña

ENUSA ha

fabricado 854

elementos

combustibles

(62% para

exportación)

Continúan los

trámites del ATC

Uranio Almacenado (kg)

Central

Piscinas ATI

José Cabrera

95750

Sta. Mª de Garoña

420243

Almaraz I

608026

Almaraz II

602390

Ascó I

527335

55142

Ascó II

476497

67773

Cofrentes

723053

Vandellós II

491437

Trillo

224023

280944

ATIs en Garoña y

Almaraz (en

proyecto)

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Cronología de la industria nuclear

española

25

1960

1970

1965

1970

1980

1975

1980

1990

1985

1990

2000

1995

2000

2010

2005

2010

2020

2015

José Cabrera

José Cabrera

José Cabrera

Garoña

Garoña

Garoña

Vandellós I

Vandellós I

Vandellós I

Almaraz I y II

Almaraz I

Almaraz II

Ascó I

Ascó I

Ascó II

Ascó II

Cofrentes

Cofrentes

Trillo I

Trillo I

Vandéllós II

Vandéllós II

Lemóniz

Moratoria*

Moratoria: Lemóniz I y II, Valdecaballeros I y II, Trillo II

Valdecaballeros

Puesta en red

Inicio de la construcción

Fábrica de

Juzbado

El Cabril

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Centrales nucleares en Europa

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Externalidades

27

Una externalidad es un

coste no considerado

en el precio de un bien

negativas (p.ej. contaminación)

positivas (p.ej. infraestructuras)

Cantidad

Coste y

beneficio

Demanda

Coste para

el individuo

Coste para

la sociedad

Equilibrio

ideal

Equilibrio

real

Coste real

Despil-farro

Se internalizan

mediante:

Tasas

Multas

Cuotas de

producción

Subvenciones

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Costes de operación para el medio

ambiente y otras externalidades

28

Ecofys

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

La mortalidad de las diferentes fuentes

de energía

29

Energy Source

Mortality Rate (deaths/trillionkWhr)

Coal – global average

100000(50% global electricity)

Coal – China

170000(75% China’s electricity)

Coal – U.S.

10000(44% U.S. electricity)

Oil

36000(36% of energy, 8% of electricity)

Natural Gas

4000(20% global electricity)

Biofuel/Biomass

24000(21% global energy)

Solar (rooftop)

440(< 1% global electricity)

Wind

150(~ 1% global electricity)

Hydro – global average

1400(15% global electricity)

Hydro – U.S.

0.01(7% U.S. electricity)

Nuclear – global average

90(17% global electricity w/Chern&Fukush)

Nuclear – U.S.

0.01(19% U.S. electricity)

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Disponibilidad y capacidad de una

central eléctrica

30

Maximum electrical capacity

Available

capacity

Total

unavailable

capacity

Generation

supplied

Available

but not

supplied

Load following,

frequency

control and grid

adjustments

Reserve

shutdown

Under plant

management

control

(internal)

Not under plant

management

control

(external)

Planned

Unplanned

Plan overrun

(outage

extensión)

Long

term

Short

term

Testing

Advance

_{of plan}

Breakdown,

restrictions

and others

REG

EG

PEL

UEL

XEL

IAEA

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Disponibilidad y capacidad de una

central nuclear

31

UEL

Unplanned energy losses

PEL

Planned energy losses

XEL

External energy losses

Available but not

supplied

EG

Actual

production

(

t)

Ca

pa

cit

y

Ava

ilab

ilit

y

100%

0%

Unit capacity factor

UCF % = 100

REG − PEL − UEL

REG

Energy availability factor

EAF % = 100

REG − PEL − UEL − XEL

REG

Load factor

LF % = 100

EG

REG

REG

(𝑇)

LF < EAF < UCF

Operation factor

OF % = 100

𝑡

𝑇

Energía

Tiempo

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

La capacidad de las centrales nucleares

en España (2016)

32

Reactor

Tipo

Suministro

(GWh)

Potencia

Nominal

(MW)

Tiempo

anual (h)

OF (%)

EAF (%)

LF (%)

Anual

Acumulado

Anual

Acumulado

Almaraz I

PWR

7447.79

1011

7622

86.8

84.1

85.7

83.9

85.8

Almaraz II

PWR

7726.48

1006

7827

89.1

87.9

87.0

87.4

87.2

Ascó I

PWR

8439.8

995

8560

97.4

95.9

85.0

96.6

84.3

Ascó II

PWR

7646.24

997

7852

89.4

87.1

87.0

87.3

86.1

Cofrentes

BWR

9187.25

1064

8784

100

98.3

87.2

98.3

87.2

Trillo I

PWR

8004.55

1003

8111

92.3

91.4

87.0

90.8

86.6

Vandellós II

PWR

7650.33

1045

7568

86.2

83.9

82.2

83.3

82.2

IAEA

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Comparación de varias capacidades

33

Central nuclear de Palo Verde (USA).

Capacidad nominal: 3942MW. Producción en 2010: 31.2TWh

3120000MWh

365d × 24h/d × 3942MW

= 0.904% = 90.4%

Parque eólico Horns Rev 2 (Dinamarca).

Capacidad nominal: 209.3MW. Producción media anual: 875GWh

875000MWh

365d × (24h/d) × 209.3MW

= 0.477% = 47.7%

Parque solar Agua Caliente (USA).

Capacidad nominal: 290MW. Producción media anual: 740GWh

740000MWh

20

17

,

Antonio

Gonz

ál

ez

F

erná

ndez

Carbón

Nuclear

Gas

Eólica

Solar FV

Combustible

_Barato

_Barato

_Caro

_Gratis

_Gratis

Gastos de

capital

Elevados

Elevados

Moderados

Elevados

Moderados

Eficiencia

_Media-alta

_Media

_Alta

_Baja

_Baja

Capacidad

_Alta

_{Muy alta}

_Alta

_Media-baja

_Baja

CO2

_Alto

_No

_Medio

_No

_No

Polución

térmica

Media

Alta

Media

Baja

Baja

Residuos

Ceniza+gases

Residuos

nucleares

Gases

No

No

Riesgos

potenciales

Medios

Altos

Medios

Bajos

Bajos

Alarma social

_Media

_Alta

_Baja

_Baja

_Baja

Comparación entre diferentes tipos de

centrales